基金会总线电缆

4. 现场总线控制系统的基金会现场总线

按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为专门为过程控制设计的现场总线。
在FF协议标准中，FF分为低速H1总线和高速H2总线。H1主要针对过程自动化，传输速率31.25Kbps，传输距离可达1900m（可采用中继器延长），支持总线供电和本质安全防爆。高速总线协议H2主要用于制造自动化，传输速率分为1Mbps和2.5Mbps两种。但原来规划的H2高速总线标准现在已经被现场总线基金会所放弃，取而代之的是基于以太网的高速总线HSE。 为了实现通信系统的开放性，FF通信模型参考了OSI模型，如图4.2。
H1总线的通信模型包括物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层。物理层采用了IEC61158-2的协议规范；数据链路层DLL规定如何在设备间共享网络和调度通信，通过链路活动调度器LAS来管理现场总线的访问；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。H1的应用层分为两个子层――总线访问子层FAS和总线报文规范子层FMS，功能块应用进程只使用FMS，FAS负责把FMS映射到DLL。用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能快、设备描述等。不过，数据链路层和应用层往往被看作为一个整体，统称为通信栈。
HSE采用了基于Ethernet和TCP/IP的六层协议结构的通信模型。其中，一～四层为标准的Internet协议；第五层是现场设备访问会话，为现场设备访问代理提供会话组织和同步服务；第七层是应用层，也划分为FMS和现场设备访问FDA二个子层，其中FDA的作用与H1的FAS相类似，也是基于虚拟通信关系为FMS提供通信服务。 H1总线的物理层根据IEC和ISA标准定义，符合ISA S50.02物理层标准、IEC1158-2物理层标准以及FF-816 31.25Kbps物理层行规规范。当物理层从通信栈接收报文时，对数据帧加上前导码和定界码，并对其实行数据编码，再经过发送驱动器把所产生的物理信号传送到总统的传输媒体上。相反，在接收信号时，需要进行反向解码。
现场总统采用曼彻斯特编码技术将数据编码加载到直流电压或电流上形成“同步串行信号”。前导码是一个8位的数字信号10101010，接收器采用这一信号同步其内部时钟。起始界定码和结束界定码标明了现场总线信息的起点和终点，长度均为8个时钟周期，二者都是由“0”、“1”、“N+”、“N－”按规定的顺序组成。
图4.5(a)表示了H1总线的配置思想，总线两端分别连接一个终端器，形成对31.25KHz信号的通带电路。发送设备产生的信号是31.25KHz、峰峰值为15～20mA的电流信号，如图(b)；传送给相当于50Ω的等效负载，产生一个调制在直流电源电压上的0.75～1V的峰峰电压，如图(c)。H1支持总线供电和非总线供电二种方式。
通信栈包括数据链路层DLL、现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范FMS三部分。
DLL最主要的功能是对总线访问的调度，通过链路活动调度器LAS来管理总线的访问，每个总线段上有一个LAS。H1总线的通信分为受调度/周期性通信和非调度/非周期性通信二类。前者一般用于在设备间周期性地传送测量和控制数据，其优先级最高，其它操作只在受调度传输之间进行。
FAS子层处于FMS和DLL之间，它使用DLL的调度和非调度特点，为FMS和应用进程提供报文传递服务。FAS的协议机制可以划为三层：FAS服务协议机制、应用关系协议机制、DLL映射协议机制，它们之间及其与相邻层的关系如图4-6所示。FAS服务协议机制负责把发送信息转换为FAS的内部协议格式，并为该服务选择一个合适的应用关系协议机制。应用关系协议机制包括客户/服务器、报告分发和发布/接收三种由虚拟通信关系VCR来描述的服务类型，它们的区别主要在于FAS如何应用数据链路层进行报文传输。DLL映射协议机制是对下层即数据链路层的接口。它将来自应用关系协议机制的FAS内部协议格式转换成数据键路层DLL可接受的服务格式，并送给DLL，反之亦然。
FMS描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式和建立报文所必需的协议行为。针对不同的对象类型，FMS定义了相应的FMS通信服务，用户应用可采用标准的报文格式集在现场总线上相互发送报文。
用户层定义了标准的基于模块的用户应用，使得设备与系统的集成与互操作更加易于实现。用户层由功能块和设备描述语言两个重要的部分组成。 PROFIBUS共包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA三个兼容系列，各系列的协议结构如图4.9所示。FMS定义了物理层、数据链路层和应用层和用户接口，物理层提供了光纤和RS485两种传输技术。DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，其中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同，二者采用了相同的传输技术和统一的总线控制协议(报文格式)。PA主要应用于过程控制领域，相当于FF的H1总线，它可支持总线供电和本质安全，当使用分段耦合器，PA装置能很方便的连接到DP网络上。
PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术之一，既适合于自动化系统与现场I/O单元的通信，也可用于直接连接带有接口的各种现场仪表及设备。DP和PA的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优越于其它现场总线。 PROFIBUS提供了RS485传输、IEC1158－2传输和光纤传输三种类型。
RS-485传输用于PROFIBUS－DP/－FMS，其最大传输速率可达12Mbps，在不加中继的情况下，传输速率与总线长度的对应关系如下表所示：
数据IEC1158－2的传输技术用于PROFIBUS－PA，是一种位同步协议，通过±9mA对基本电流（约10mA）的调制，以31.25kbps的速率传输。
PROFIBUS系统要桥接更长的距离或在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体（塑料和玻璃）传输，光链路插头可以实现RS485信号和光纤导体信号的相互转换。 PROFIBUS总线包括的三个兼容系列均使用一致的总线存取协议，这是一种包括主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式的混合协议，如图4.10所示。
令牌环是所有主站的组织链，按照它们的地址构成逻辑环。在令牌环中，令牌在逻辑环中循环一周的最长时间是事先规定的，令牌需要在规定的时间内按照地址的升序在各主站中依次传递。
主从方式允许主站在得到总线存取令牌时与从站进行通信，每个主站均可向从站发送或索取信息。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主从关系表与所有从站通信，也可依照主主关系表与所有主站通信。 基于IEC1158-2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通过耦合装置相连，耦合器使二者信号相适配。每段通常配一个电源装置，电源装置经耦合器和PA总线为现场设备提供电源，这种供电方式可以限制PA总线段上的电流和电压。如果需要外接电源设备，必须用适当的隔离装置，将总线供电设备与外接电源设备连接在本质安全总线上，此时总线上的最大供电电压和最大供电电流均具有明确的规定。按防爆等级和总线供电装置，总线上的站点数量也将受到限制。
PROFIBUS的网络拓扑可以是总线型、树型和两种拓扑的混合。线型结构沿着总线电缆连接各个站点，树型结构允许现场设备并联地接在现场配电箱上。混合拓扑结构适合多数实际系统的要求，它可以使总线的结构和长度趋于最优。 我们知道，当前的工业网络已逐渐向高层IT系统的融合甚至通过Internet实现全球化联网的趋势发展，PROFINet正是体现了现场总线技术纵向集成的一种透明性理念。
为了保持与自动化系统较高层的一致性，PROFINet选用以太网作为通信媒介，一方面它可以把基于通用的PROFIBUS技术的系统无缝地集成到整个系统中，另一方面它也可以通过代理服务器实现PROFIBUS－DP及其它现场总线系统与PROFINet系统的简单集成。
在整个协议架构中，独立于制造商的工程设计系统对象ES-Object模型和开放的、面向对象的PROFINet运行期（runtime）模型是PROFINet定义的两个关键模型。
工程设计系统对象模型用于对多制造商工程设计方案做出规定，提供用户友好的PROFINet系统组态。运行期模型则以具有以太网标准机制的通信功能为基础，提供了一种优化的DCOM机制，作为用于硬实时通信应用领域的一种选择。
PROFINet部件以对象的形式出现，自动化解决方案包含在运行期进行通信的自动化对象中，即运行期自动化对象RT-AUTO。在工程设计领域，一旦无需对通信编程而只需进行很方便地组态，创建自动化解决方案就变得相当简单。
PROFINet为这些应用提供了两种集成方案，如图4.12。
如果现场总线的主站具备PROFINet的能力，这可通过将以太网接口和PROFINet运行期软件的端口直接集成到现场总线主站的CPU中。否则，PROFIBUS也可以通过代理服务器实现与PROFInet的集成。原则上其它的现场总线如：FF、Interbus等通常都可以这种方式集成到PROFINet领域。

5. 什么是Profibus DP总线电缆

PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它与PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )共同组成了PROFIBUS标准。

作用：
用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。
①传输技术：RS－485双绞线．双线电缆或光缆。波特率从9.6K bit/s到12M bit/s。
②总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主－从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主－从设备）数为126。Profibus的理论地址范围：0~127（127为广播地址）。最多可用32个主站，总的站数可达127个（多主）。
③通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主－从用户数据传送和非循环主－主数据传送。
④运行模式：运行．清除．停止。
⑤同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。
⑥功能：DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送。各DP从站的动态激活和可激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过部线对DP主站（DPM1）进行配置，每DP从站的输入和输出数据最大为244字节。
⑦可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer）。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。
⑧设备类型：第二类DP主站（DPM2）是可进行编程．组态．诊断的设备。第一类DP主站（DPM1）是中央可编程控制器，如PLC．PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器．阀门等；同时也可以是智能从站，即从站支持可编程，一般智能从站即另外一个PLC主机。

速率诊断
①速率：在一个有着32个站点的分布系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bit/s 输入和512bit/s输出，在12Mbit/s时只需1毫秒。
②诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级：
·本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高．压力过低。
·模块诊断操作：一个站点的某具体I/O模块故障。
·通过诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。

构成系统
PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点。系统配置的描述包括：站数．站地址．输入/输出地址．输入/输出数据格式．诊断信息格式及所使用的总线参数。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备：
① 一级DP主站（DPM1）：一级DP主站是中央控制器，它在预定的周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC。
②二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器．组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。
③ DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备．驱动器．HMI．阀门等）。
④单主站系统：在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。
⑤ 多主站系统：总线上连有多个主站。这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPMI．指定的若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入/输出映象，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。

系统行为
系统行为主要取决于DPM1的操作状态，这此状态由本地或总线的配置设备所控制。主要有以下三种状态：
·停止：在这种状态下，DPM1和DP从站之间没有数据传输。
·清除：在这种状态下，DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。
·运行：在这种状态下，DPM1处于数据传输阶段，循环数据通信时，DPM1从DP站读取输入信息并向从站写入输出信息。
①DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内，以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的DP从站。
② 如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误，DPM1将所有有关的DP从站的输出数据立即转入清除状态，而DP从站将不在发送用户数据。在次之后,DPM1转入清除状态。

循环数据
DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输是由DPM1按照确定的递归顺序自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对DP从站与DPM1的关系作出规定，确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排斥在外。
DMP1和DP从站之间的数据传送分三个阶段：参数设定．组态．数据交换。在参数设定阶段，每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接受到的组态数据进行比较。只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时，DP从站才进入用户数据传输阶段。因此，设备类型．数据格式．长度以及输入输出数量必须与实际组态一致。

组态设备
除主－从功能外，PROFIBUS－DP允许主－主之间的数据通信，这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态。

锁定模式
除DPM1设备自动执行的用户数据循环传输外，DP主站设备也可向单独的DP从站．一组从站或全体从站同时发送控制命令。这些命令通过有选择的广播命令发送的。使用这一功能将打开DP从站的同步及锁定模式，用于DP从站的事件控制同步。
主站发送同步命令后，所选的从站进入同步模式。在这种模式中，所编址的从站输出数据锁定在当前状态下。在这之后的用户数据传输周期中，从站存储接收到输出的数据，但它的输出状态保持不变；当接收到下一同步命令时，所存储的输出数据才发送到外围设备上。用户可通过非同步命令退出同步模式。
锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新。用户可以通过非锁定命令退出锁定模式。

保护机制
对DP主站DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视。每个从站都采用独立的控制定时器。在规定的监视间隔时间中，如数据传输发生差错，定时器就会超时。一旦发生超时，用户就会得到这个信息。如果错误自动反应功能“使能”，DPM1将脱离操作状态，并将所有关联从站的输出置于故障安全状态，并进入清除状态。

6. 请问CC-LINK的总线电缆可否用一般四芯屏蔽电缆代替

CC-Link的总线电缆是特性阻抗为110±10Ω的3芯绞合屏蔽电缆，国产型号规格：STP-110Ω（for CANopen & CC-Link）3C×20AWG ，使用时，屏蔽层应只在一端接地！

7. 电缆与总线的区别

总线是网络结构的概念，相对于硬件，总线在软件的意义上更大（所有的信号在同一条通道传输，注意是通道，不是具体到某一根电缆，因为一条通道可以由好几根电缆组成）。
电缆就是物理意义，现实意义上的物品。

8. PA总线电缆和DP通讯电缆有区别吗

当然有区别!并且不能通用。
PA电缆的特性阻抗是100Ω，导体是内18AWG;
而DP电缆的特性阻抗是150Ω，导体是22AWG.
早在容1995年，上面两种电缆我国已率先实现国产化并且有铠装型、阻燃型、耐高温型、耐寒型、低烟无卤型等多个系列。

9. 基金会现场总线的应用场合有哪些

过程控制现场总线--工程、运行与维护 外国人写的，现场总线仪表工程应用类 非常实用 有电内子扫描版容下载 实体书得淘宝上买 PROFIBUS协议分析与系统应用/侯维岩/清华大学出版 DP的协议级学习必备 别的具体工程应用类 买本西门子的就够了

10. 基金会现场总线的背景

基金会总线（FF，Foundation Fieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。内其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为容首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的World FIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司是该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。